DIEFENBACH, Ingo (Brunnenhäuser 15, Unna, 59425, DE)
GAUL, Armin (Hirschwiese 41, Selm, 59379, DE)
DIEFENBACH, Ingo (Brunnenhäuser 15, Unna, 59425, DE)
| Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie an einen Verbraucherstromkreis enthaltend eine dem Verbraucher separat zugeordnete Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) , an deren Ausgang der Verbraucherstromkreis über Anschlussmittel (10) anschließbar ist, wobei die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) Sensormittel (31,32) zur Erfassung mindestens einer elektrischen Größe und eine von den Sensormitteln (31,32) angesteuerte Auswerteeinrichtung (52) aufweist, welche Parametrierungsmittel zur voreinstellbaren Vorgabe mindestens eines sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums enthält, wobei beim Erreichen des mindestens eines sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums eine Schalteinrichtung (54) für den Verbraucherstromkreis ansteuerbar ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) ein Überstromüberwachungsmittel aufweist, welches die Größe und/oder den zeitlichen Verlauf des bereitgestellten elektrischen Stromes detektiert. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den Parametrierungsmitteln ein im Verbraucherstromkreis maximal zulässiger Stromwert vorgebbar ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass von den Parametrierungsmittel eine Strom- Zeitcharakteristik: für den zulässigen Stromverlauf vorgebbar ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- Zeitcharakteristik einer vorgebbaren, insbesondere vorab gespeicherten Sicherungskennlinie entspricht . 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) ein Fehlerstromüberwachungsmittel aufweist . 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlerstromüberwachungsmittel das Auftreten eines Wechselstrom-Fehlerstroms überwacht (FI-Schalter des Typs A) . 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlerstromüberwachungsmittel das Auftreten eines Gleichstrom-Fehlerstroms überwacht (FI-Schalter des Typs 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (31,32) ein Hallsensor ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (31,32) ein Stromwandler ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (54) ein Leistungsstromschalter, insbesondere ein Relais, ein Schütz, ein Leistungstransistor, ein Leistungsthyristor oder eine Kombination dieser Bauelemente ist. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) einen Default-Geber aufweist, bei dessen Ansprechen die Schalteinrichtung (54) unabhängig vom Erreichen des mindestens einen Auslösekriteriums auslösbar ist. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Energieversorgungseinrichtung (13) gespeister und der Sicherungs- und Überwachungseinrichtung vorgeordneter Energiemengenzähler (16) vorgesehen ist. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, dass jedem Verbraucher ein separater Energiemengenzähler (16) zugeordnet ist. 15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) eine steuerbare Rebooteinrichtung aufweist. 16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher die Batterie eines Elektrofahrzeugs ist und dass der Versorgungskreis eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug ist. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) als eines ihrer Eingangssignale das Pilotsignal einer Ladesteuerungsschaltung der Ladestationen erhält. 18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) als eines ihrer Eingangssignale das „Plug Present" Signal einer Ladesteuerungsschaltung erhält. 19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösekennlinie in der Sicherungs- und Überwachungseinrichtung (50) während des Betriebs veränderbar ist. 20. Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie an den Stromkreis eines separaten Verbrauchers durch - Erfassen mindestens einer elektrischen Größe im Versorgungsstromkreis und deren Weiterleitung an eine Auswerteeinrichtung, - Vorgabe eines Parameters für mindestens ein sicherheitsrelevantes Auslösekriterien in der Auswerteeinrichtung, - gesteuertes Ein- bzw. Ausschalten des Versorgungsstromkreises beim Erreichen des mindestens einen sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums. 21. Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie an den Ladestromkreis eines Elektrofahrzeugs durch - Erfassen mindestens einer elektrischen Größe im Ladestromkreis und deren Weiterleitung an eine Auswerteeinrichtung, - Vorgabe eines Parameters für mindestens ein sicherheitsrelevantes Auslösekriterien in der Auswerteeinrichtung, - gesteuertes Ein- bzw. Ausschalten des LadeStromkreises beim Erreichen des mindestens einen sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums . 22. System bestehend aus einer Ladestation (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, welche mit einem Elektrofahrzeug (2) verbunden ist. 23. Verwendung der Sicherheits- und Überwachungseinrichtung (50) einer Ladestation nach einem der vorstehenden Ansprüche beim Ladevorgang der Batterie eines Elektrofahrzeuges (2). |
ENERGIEAN EINEN VERBRAUCHERSTROMKREIS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung von an einen Verbraucher zu liefernder elektrischer Energie, insbesondere zur
Bereitstellung von an ein Elektrofahrzeug zu liefernder elektrischer Energie sowie ein System bestehend aus einer Ladestation und einem Elektrofahrzeug und eine Verwendung für den Ladevorgang eines Elektrofahrzeuges .
Der Sicherheitsaspekt spielt im Zusammenhang mit der
Versorgung von elektrischen Verbrauchern, insbesondere von Elektrofahrzeugen eine zentrale Rolle. Es ist bekannt, eine Versorgungseinrichtung, die insbesondere die Ladestation für ein Elektrofahrzeug darstellen kann, mit einer Vielzahl unterschiedlicher Komponenten zu bestücken, deren einzelne Funktion im Folgenden beschrieben wird:
Zunächst muss die Versorgungseinrichtung über einen auch als „Stromzähler" bekannten Energiemengenzähler verfügen, mit dem die vom Energieversorgungsunternehmen bezogene elektrische Energiemenge erfasst und zur Weiterberechnung zur Verfügung gestellt wird.
Solche Zähler erfassen den im Stromnetz jeweils bereit gestellten Phasenstrom sowie die anliegende Spannung. Sie ermitteln daraus durch Multiplikation und Integration über die Zeit die genutzte Wirk-Energiemenge in der Einheit
Kilowattstunden.
Am meisten verbreitet sind sogenannte "Ferraris-Zähler", welche nach dem Induktionsprinzip arbeiten. Hierbei wird durch den Ein- oder Mehrphasenwechselstrom sowie die Netzspannung in einer Aluminiumscheibe ein magnetisches Drehfeld induziert, welches in dieser durch Wirbelströme ein Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment ist proportional zum Vektor-Produkt aus Strom und Spannung. Die Aluminiumscheibe läuft in einer aus einem Dauermagnet bestehenden Wirbelstrombremse, die ein geschwindigkeitsproportionales Bremsmoment erzeugt. Die
Aluminiumscheibe, deren Kante als Ausschnitt durch ein Fenster von außen sichtbar ist, hat dadurch eine Drehgeschwindigkeit, welche zur elektrischen Wirkleistung proportional ist. Mit der Aluminiumscheibe ist ein Rollenzählwerk verbunden, so dass der Energiedurchsatz als Zahlenwert in Kilowattstunden (kWh) abgelesen werden kann.
Bei Tarifkunden, zum Beispiel in privaten Haushalten, werden solche elektro-mechanischen Energiezähler mit zwei und mehr Zählwerken eingesetzt, um zeitbezogen unterschiedliche Tarife abrechnen zu können. Zwischen diesen Zählwerken wird
beispielsweise durch eingebaute oder externe
Rundsteuerempfänger, die durch zentrale Rundsteueranlagen im Energieversorgungsunternehmen gesteuert werden, umgeschaltet. So kann der Energieverbrauch in Zeiten schwacher
Netzbelastung, beispielsweise nachts, für den Verbraucher günstiger abgerechnet werden.
Bereits bekannt sind auch digitale elektronische Energiezähler (sogenannte "Smart Meter"), die keine mechanisch bewegten Elemente enthalten. Der Strom wird durch Stromwandler, beispielsweise mit einem weichmagnetischen Ringkern oder einem Strommesssystemen mit Rogowskispulen mittels
Nebenschlusswiderstand (Shunt) oder durch Hallelemente erfasst. Die Berechnung der Energie erfolgt über eine
elektronische Schaltung. Das Ergebnis wird einer
alphanumerischen Anzeige, z.B. einer Flüssigkristallanzeige (LCD), zugeführt. Solche digitalen elektronischen
Energiezähler weisen den besonderen Vorteil der
Fernablesbarkeit auf und machen daher die bislang übliche jährliche Ablesung überflüssig, da die Zählerdaten
elektronisch, beispielsweise über das Internet, an den
Stromanbieter übermittelt werden.
Als Datenschnittstellen für die Datenübertragung zur
Abrechnungseinheit des Energieversorgungsunternehmens sind verschiedene Varianten gebräuchlich, z.B. Infrarot, SO- Schnittstelle, M-Bus, Potentialfreier Kontakt, EIB/KNX, oder Power Line Communication (PLC) , bei der Daten über die normale Netzleitung übertragen werden.
Darüber hinaus verfügt eine Versorgungseinrichtung für einen Verbraucher wie bekannt über Überwachungseinrichtungen, um deren ordnungsgemäßen Betrieb sicher zu stellen sowie um gegebenenfalls bei einer Überlastung der
Versorgungseinrichtung entsprechende Schutzmaßnahmen
einzuleiten. Hinsichtlich ihrer Funktionalität handelt es sich dabei um Schaltmittel, die zum Verbinden oder Trennen des Verbraucherstromkreises dienen, um Sicherungsmittel, die die Stromkreise vor Beschädigung schützen sollen infolge zu starker Leitungserwärmung oder Kurzschlüssen, sowie um
Fehlerstromüberwachungsmittel . Ein Schaltmittel ist in bekannter Weise als ein
elektromagnetisch betätigter Schalter („Schütz") ausgebildet, bei dem ein Steuerstrom durch eine Magnetspule fließt, wobei durch die magnetische Anziehung mechanisch ein Kontakt betätigt wird, der den Hauptstromkreis schließt. Solange der Steuerstrom fließt, wird die Einschaltstellung gehalten.
Schütze unterscheiden sich von Relais durch höhere
Schaltleistungen .
Als Fehlerstromüberwachungsmittel sind insbesondere sogenannte FI-Schalter (auch bezeichnet als RCD „Residual Current protective Device") bekannt, welche bei Überschreiten einer bestimmten Differenzstromstärke (in Hausanlagen meist 30 mA) den überwachten Stromkreis allpolig, d. h. in Bezug auf alle Leiter außer dem Schutzleiter, vom restlichen Netz trennen.
Dazu vergleicht der RCD die Höhe des hin- mit dem des
zurückfließenden Stromes. Die vorzeichenbehaftete Summe aller durch den RCD fließenden Ströme muss bei einer intakten Anlage Null betragen. Der Vergleich erfolgt in einem Summen- Stromwandler, der alle zum und vom Verbraucher fließenden Ströme vorzeichenrichtig addiert. Wird irgendwo im Stromkreis ein Strom gegen Erde abgeleitet, so ist im Summenstromwandler die Summe von hin- und zurückfließendem Strom ungleich Null: es entsteht eine Stromdifferenz ΔI , die zum Ansprechen des RCD und damit zur Abschaltung der Stromzufuhr führt.
Fehlerstromschutzeinrichtungen vom Typ AC
(wechselstromsensitiv) erfassen nur rein sinusförmige
Fehlerströme. In der Praxis sind daher pulsstromsensitive
Fehlerstromschutzeinrichtungen vom sog. „Typ A" üblich. Diese erfassen rein sinusförmige Wechselströme sowie pulsierende Gleichfehlerströme. Diese zusätzliche Sensibilität wird durch spezielle Magnetwerkstoffe für die eingesetzten Ringbandkerne erreicht. Pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen arbeiten netzspannungsunabhängig .
Betriebsmittel der Leistungselektronik, wie z.B.
Frequenzumrichter, Wechselrichter, unterbrechungsfreie
Stromversorgungen (USV) , Schaltnetzteilen oder
Phasenanschnittsteuerungen, erzeugen eine bipolare,
pulsweiten-modulierte Ausgangsspannung, welche
Schaltfrequenzen im Bereich von bis zu 20 kHz aufweist. Im Fehlerfall können diese Betriebsmittel - neben 50 Hz-Wechsel- und Pulsgleichfehlerströmen - auch glatte Gleichfehlerströme und Wechselfehlerströme unterschiedlichster Frequenzen sowie Mischfrequenzen (bei Frequenzumrichtern z.B. die
Schaltfrequenz und Ausgangsfrequenz) verursachen.
FI-Schutzschalter vom Typ A können diese Fehlerströme nicht exakt erfassen, so dass eine ordnungsgemäße Auslösung des FI- Schutzschalters nicht gewährleistet ist. Daher ist gemäß VDE 0160/EN 50178 »Ausrüstung von Starkstromanlagen mit
elektronischen Betriebsmitteln«, Abs. 5.2.11.2 und 5.3.2.3 zum Schutz bei direktem und indirektem Berühren
eine RCD vom „Typ B" einzusetzen, wenn ein elektronisches Betriebsmittel einer elektrischen Anlage im Fehlerfall einen glatten Gleichfehlerstrom erzeugen kann.
Solche sog. allstromsensitiven Fehlerstromschutzschalter („Typ B") enthalten einen zweiten Summenstromwandler zur Erfassung glatter Gleichfehlerströme. Eine Elektronikeinheit gibt bei einem Fehler den Abschaltbefehl an den Auslöser weiter. Die Überwachung auf Gleichfehlerströme erfolgt netzspannungsabhängig. Eine solche Einrichtung benötigt also eine VersorgungsSpannung, welche aus den Außenleitern und ggf. dem Neutralleiter abgenommen wird. Der pulsstromsensitive Schalterteil ist davon unabhängig und arbeitet wie bei Typ A netzspannungsunabhängig .
Fehlerstromschutzschalter der beschriebenen Art benötigen Sensoren zur hochgenauen Erfassung des Stromes und zur
Weiterverarbeitung des Messsignals. Darüber hinaus ist
vorgeschrieben, dass FI- Schalter in bestimmten
Zeitabschnitten geprüft werden müssen. Dazu werden sie
entweder von Hand oder von dazu vorgesehenen
Zusatzeinrichtungen betätigt.
Schließlich sind als dritte Komponente in einer
Überwachungseinrichtung einer Versorgungseinrichtung
Überstromschutzeinrichtungen in Form von
Leitungsschutzschaltern (LS-Schalter oder MCB „Miniature
Circuit Breaker") bekannt . Leitungsschutzschalter sind
wiederverwendbare, nicht selbsttätig rückstellende
Sicherungselemente, welche den Stromkreis bei Überlast
selbsttätig abschalten. Solche Einrichtungen schützen
Leitungen vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung, die aus dem über einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom
resultieren würde.
Ein Überstrom kann durch eine Überlast oder einen Kurzschluss verursacht werden. Bei einer Auslösung bei Überlast erfolgt die Abschaltung, wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes längere Zeit
erheblich überschritten wird. Die Zeit bis zur Auslösung hängt von der Stärke des Überstroms ab - bei hohem Überstrom ist sie kürzer als bei geringer Überschreitung des Nennstromes . Zur Auslösung wird ein Bimetall verwendet, das sich bei Erwärmung durch den durchfließenden Strom biegt und den
Abschaltmechanismus auslöst. Die Reaktionszeit einer
Überstromschutzeinrichtung bei unterschiedlichen Stromstärken wird als Charakteristik bezeichnet und in Strom- Zeit- Kennlinien dargestellt.
Im Falle des Auftretens eines Kurzschlusses in der Anlage muss eine sehr schnelle Auslösung, zumeist innerhalb weniger
Millisekunden, durch einen vom Strom durchflossenen
Elektromagneten des Leitungsschutzschalters erfolgen. Hierzu sind Sensoren für eine entsprechende Erfassung und
Schaltungsmittel zur Weiterverarbeitung des Messsignals notwendig. Auch lassen sich Leitungsschutzschalter manuell auslösen, z.B. für Wartungsarbeiten oder zur vorübergehenden Stilllegung. Dazu befindet sich ein Kippschalter oder ein Auslöseknopf auf der Frontseite des Schalters.
Es ist auch bekannt, einen Leitungsschutzschalter mit einem FI-Modul zu kombinieren, um zu erreichen, dass beim
Detektieren einer Fehlerstromsituation durch das FI-Modul eine Leitungsstilllegung durch den Leitungsschutzschalter erfolgen kann.
Die oben beschriebenen Überwachungs- bzw.
Sicherungseinrichtungen werden in Form der beschriebenen einzelnen Komponenten in der Praxis vielfältig eingesetzt. Dabei werden einzelne Stromkreise oder Verbraucherzweige, welche eine Fülle unterschiedlicher elektrischer Verbraucher enthalten, jeweils durch entsprechend dimensionierte
Komponenten abgesichert. Dabei werden in unterschiedlichen Zweigen entsprechende, zumeist ein hierarchisches
Sicherheitskonzept aufweisende Dimensionierungen der
Komponenten vorgenommen. Dabei erfolgt auch eine Absicherung auf unterschiedlichen Spannungsebenen eines Netzes getrennt voneinander.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungs- und Sicherheitskonzept zu
entwickeln, welches für einen solchen Anwendungsfall geeignet ist, bei dem ein einzelner elektrischer Energieverbraucher eine speziell auf seinen Verbraucherkreis zugeschnittene, von übrigen Verbrauchern unabhängige Absicherung erfahren soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie an einen Verbraucherstromkreis gelöst, , welche folgende Merkmale aufweist: eine dem
Verbraucher separat zugeordnete Sicherungs- und
Überwachungseinrichtung aufweist, an deren Ausgang der
Verbraucherstromkreis über Anschlussmittel anschließbar ist, wobei die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung
Sensormittel zur Erfassung mindestens einer elektrischen Größe und eine von den Sensormitteln angesteuerte
Auswerteeinrichtung aufweist, welche Parametrierungsmittel zur voreinstellbaren Vorgabe mindestens eines
sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums enthält, wobei beim Erreichen des mindestens eines sicherheitsrelevanten
Auslösekriteriums eine Schalteinrichtung für den
Verbraucherstromkreis ansteuerbar ist.
Bei einem Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer
Energie an den Stromkreis eines Verbrauchers wird diese
Aufgabe durch folgende Schritte gelöst: - Erfassen mindestens einer elektrischen Größe im Verbraucherstromkreis und deren Weiterleitung an eine Auswerteeinrichtung,
- Vorgabe eines Parameters für mindestens ein
sicherheitsrelevantes Auslδsekriterium in der
Auswerteeinrichtung,
- gesteuertes Ein- bzw. Ausschalten des
Verbraucherstromkreises beim Erreichen des mindestens einen sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums.
Diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass gegenüber dem bekannten, eingangs beschriebenen Absicherungskonzept
bestehend aus einzelnen Überwachungseinrichtungen eine
Vielzahl von Sensoren bzw. funktionellen Baugruppen eingespart werden können, wenn ein auf die Absicherung eines einzelnen Verbraucherkreises zugeschnittenes Konzept verfolgt wird.
Hierdurch ergeben sich entsprechende Material- und damit Kosteneinsparungen, da auf Mehrfachfunktionalitäten verzichtet werden kann. Durch das Vorsehen einer weitgehend wahlfreien Parametrierung für das mindestens eine Auslösekriterium wird dabei auch der bei bekannten Überstromschutzeinrichtungen bestehende Nachteil beseitigt, dass z.B. ein
Leitungsschutzschalter hinsichtlich seiner Sicherungskennlinie (Strom-Zeit-Charakteristik) nur unzureichend parametriert werden kann, da die Kennlinie im wesentlichen durch die
Materialeigenschaften des verwendeten Bimetalls bestimmt ist. Von besonderer Bedeutung dabei ist auch, dass hierdurch eine Integration dahin gehend erreichbar ist, dass nur noch ein einziger Schalter benötigt wird, welcher den verschiedenen Funktionen (Fehlerstromüberwachung, Überstromüberwachung, Abschalten als Schütz) wahlfrei zugeordnet werden kann. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich entsprechend den in den abhängigen Patentansprüchen
dargestellten Ausführungsformen:
Dadurch, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung ein Überstromüberwachungsmittel aufweist, welches die Größe und/oder den zeitlichen Verlauf des bereitgestellten
elektrischen Stromes detektiert, lässt sich die Funktionalität eines Leitungsschutzschalters simulieren.
Wenn von den Parametrierungsmitteln ein im
Verbraucherstromkreis maximal zulässiger Stromwert vorgebbar ist, ergibt sich ein wirksamer Überstromschutz im
Kurzschlussfall .
Dadurch, dass die Strom- Zeitcharakteristik einer vorgebbaren Sicherungskennlinie entspricht, lässt sich das Verhalten eines Leitungsschutzschalters für thermische Überlastabsicherung simulieren, und zwar mit gegenüber herkömmlichen passiven Leitungsschutzschaltern erheblich verbesserter Variabilität.
Dadurch, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung ein Fehlerstromüberwachungsmittel aufweist, lässt sich die
Funktionalität eines FI Schalters simulieren, wobei sowohl das Auftreten eines Wechselstrom-Fehlerstroms (FI-Schalter des Typs A) als auch das Auftreten eines Gleichstrom-Fehlerstroms (FI-Schalter des Typs B) überwacht werden kann.
Als Sensormittel kommen bevorzugt sowohl ein Hallsensor als auch ein Stromwandler in Frage. Für die Schalteinrichtung kommen bevorzugt in Frage ein
Leistungsstromschalter, insbesondere ein Relais, ein Schütz, ein Leistungstransistor, ein Leistungsthyristor oder eine Kombination dieser Bauelemente.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Sicherungs- und Überwachungseinrichtung ein von einer Energieversorgungseinrichtung gespeister Energiemengenzähler vorgeordnet, so dass die vom Verbraucher aufgenommene
Energiemenge erfasst und dokumentiert werden kann.
Von Besonderheit ist auch, dass jedem Verbraucher eine separate Sicherungs- und Überwachungseinrichtung zugeordnet sein kann, wodurch sich eine Optimierung sowohl im
Kostenaufwand als auch in der Adaptierbarkeit ergibt. Dabei ist jedem Verbraucher ein separater Energiemengenzähler zugeordnet, wodurch jede Einheit als autarkes Einzelsystem („ Stand-alone" ) zu betrachten ist.
Weitere besondere Charakteristika der erfindungsgemäßen Lösung sind darin zu sehen, dass die Sicherungs- und
Überwachungseinrichtung eine telemetrische Funktion aufweisen kann. Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit der
Fernwartung und der Überwachung von Fehlfunktionen oder
Fehlerbedingungen. Z.B. wird ein Fernwiedereinschalten nach dem Auslösen des Schaltmittels ermöglicht. Eine besondere Sicherheitsfunktion ist auch darin zusehen, dass im Fehlerfall ein Stromlosfallen durch Abschalten aller Phasen erreicht werden kann. Dies ist von Wichtigkeit, wenn keine
Fremdspeisung des Überwachungsmittels vorliegt. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Sicherungs- und
Überwachungseinrichtung als eines ihrer Eingangssignale das Pilotsignal einer Ladesteuerungsschaltung der Ladestationen erhält, oder alternativ dazu, dass die Sicherungs- und
Überwachungseinrichtung als eines ihrer Eingangssignale das „Plug Present" Signal einer Ladesteuerungsschaltung erhält.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer ein
Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für den Aufbau eines bekannten
Systems bestehend aus einem Verbraucher und einer über ein Anschlussmittel damit verbundenen Versorgungseinrichtung;
Fig. 2 ein Detail zu dem Energiemengenzähler entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Blockschaltbild einer Überwachungs- und
Sicherungseinrichtung einer Versorgungseinrichtung für ein Verbraucher nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,-
Fig.4 eine Detaildarstellung zu einer Überwachungs- und
Sicherungseinrichtung einer Versorgungseinrichtung nach Figur 3.
Fig. 1 zeigt einen Verbraucher 2, welcher ein elektrischer Verbraucher in Form eines Elektrofahrzeuges sein kann, der über ein Anschlussmittel 10, z.B. ein Kabel mit einer Versorgungseinrichtung 12 in Form einer Ladestation verbunden sein kann.
Die Ladestation 12 weist eine Steckdose 14, Überwachungs- und Sicherungskomponenten 18, 20, 22, sowie einen
Energiemengenzähler 16 auf, welcher an den Anschlusskasten eines Energieversorgungsnetzes 13 angeschlossen ist. Während des Ladens der Batterie des Fahrzeugs 2 über das Kabel 10 fließt Strom von dem Energieversorgungsnetz 13 über den Zähler 16 und die Steckdose 14 sowie das Kabel 10, den Zähler 8 und das Ladegerät 6 in die Batterie. Der Zähler 16 zählt die in die Batterie fließende Energiemenge.
Bei den Überwachungs- und Sicherungskomponenten handelt es sich um einen FI-Schalter 18, um einen passiven
Leitungsschutzschalter 20 und um ein Schütz 22 zum gesteuerten Ein- bzw. Ausschalten des Laststromkreises.
Die Steuerung des Schützes 22 erfolgt über einen Ladestations- Gateway-Rechner 24. Der Leitungsschutzschalter 20 arbeitet in bekannter Weise, d.h. es handelt sich um eine Komponente, welche den Stromkreis bei Überlast selbsttätig abschaltet. Damit wird der Laststromkreis vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung geschützt, die aus dem über einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom resultieren würde, wobei der Überstrom entweder durch eine Überlast oder durch einen Kurzschluss verursacht werden kann. Bei einer Auslösung bei Überlast erfolgt die Abschaltung, wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes längere Zeit überschritten wird. Die Zeit bis zur Auslösung hängt von der Stärke des Überstroms ab und richtet sich nach der in einer Strom-Zeit- Kennlinie dargestellten Charakteristik.
Im Falle des Auftretens eines Kurzschlusses in der Anlage erfolgt eine sehr schnelle Auslösung, zumeist innerhalb weniger Millisekunden. Auch lässt sich der
Leitungsschutzschalter 20 manuell auslösen, z.B. für
Wartungsarbeiten oder zur vorübergehenden Stilllegung. Dazu befindet sich ein Kippschalter oder ein Auslöseknopf auf der Frontseite des Schalters 20. Nach dem Auslösen lässt sich der Schalter 20 vom Bediener der Ladestation manuell wieder einschalten.
Auch der FI-Schalter 18 ist wie im Stand der Technik bekannt mit einer externen mechanischen Tastenbetätigung versehen, um entsprechende manuelle Prozeduren durchführen zu können.
Solche manuellen Prozeduren können in Bezug auf den FI- Schalter 18 routinemäßige Tests sein.
Wie aus Figur 2 hervorgeht, enthält der Energiemengenzähler 16 eingangsseitig, d.h. an seinem dem Energieversorgungsnetz 13 zugewandten Anschluss, einen ersten Detektor 31 für die an diesem Messpunkt anliegende Phasenspannung sowie einen zweiten Detektor 32 für den in den Zähler 16 fließenden Phasenstrom. Die Detektoren 31, 32 sind als Detektoren für die
entsprechenden elektrischen Größen, z.B. als Ringkern- Stromwandler, Hallsensoren etc. ausgebildet. Aus den
Ausgangssignalen der Detektoren 31, 32 wird die über einen bestimmten Zeitraum gelieferte Energiemenge berechnet und diese kann auf einer Anzeigevorrichtung 33 des Zählers 16 zur Anzeige gebracht werden. Der Zähler 16 ist ein fernauslesbarer Zähler, welcher über ein Kommunikationsnetz 40 mit einer Abrechnungszentrale 42 verbunden ist. Das Kommunikationsnetz 40 kann Teil des
Energieversorgungsnetzes 13 sein, so dass beispielsweise eine Kommunikation mittels Power-Line-Communication über das
Energieversorgungsnetz 13 erfolgen kann. Auch kann das
Kommunikationsnetz 40 ein drahtgebundenes oder drahtloses Kommunikationsnetz sein. Zur Kommunikation kann beispielsweise ein IP-Protokoll verwendet werden.
Der Zähler 16 weist ausgangsseitig nicht nur eine
Anzeigeeinrichtung 34 für die berechnete Energiemenge sondern auch eine weitere Ausgabeeinheit 35 für den Phasenstrom auf, welcher über den Detektor 32 erfasst wird. Die weitere
Ausgabeeinheit 35 kann den Messwert des Detektors 32
unmittelbar ausgeben oder ein aus diesem Messwert abgeleitetes weiterverarbeitetes Signal. Alternativ dazu kann von der weiteren Ausgabeeinheit 35 auch die Phasenspannung oder ein entsprechend weiter verarbeitetes Signal des Detektors 31 ausgegeben werden. Schließlich ist auch die Ausgabe eines aus den Signalen der Detektoren 31 und 32 gemeinsam abgeleiteten Ausgangssignals, insbesondere die Phasenwirkleistung, von der weiteren Ausgabeeinheit 35 darstellbar.
Der weiteren Ausgabeeinheit 35 ist ebenso wie der
Ausgabeeinheit 34 für die gemessene Energiemenge eine
Datenschnittstelle 36 zugeordnet, wobei diese
Datenschnittstelle separat oder gemeinsam (wie in Fig. 2 dargestellt) mit der Datenschnittstelle für die Energiemenge ausgebildet sein kann. Über die Datenschnittstelle 36 steht der Phasenstrom oder ein anderes elektrisches Signal für die weitere Verarbeitung im Zusammenhang mit der im folgenden beschriebenen Überwachungs- bzw. Sicherheitseinrichtung zur Verfügung.
Der Aufbau einer Ladestation für Elektrofahrzeuge nach dem vorliegenden Äusführungsbeispiel der Erfindung wird im
Zusammenhang mit Figur 3 wie folgt erläutert:
Die vom Energieversorgungsnetz 13 führende elektrische
Versorgungsleitung, bei der es sich um eine dreiphasige
Drehstromleitung handeln kann, mündet in einem innerhalb der Ladestation 12 angeordneten Anschlusskasten. Von dort sind die Leitungen weitergeführt auf den „Stromzähler" 16, welcher bevorzugt als ein wie oben im Zusammenhang mit Figur 2 dargestellter digitaler Energiemengenzähler ausgeführt ist und dessen Ausgabewert über eine als RS 232 Schnittstelle
ausgeführte serielle Schnittstelle oder eine sonstige serielle oder parallele Schnittstelle zur Auswertung der erfassten Energiemenge an einen Ladestations-Gateway-Rechner (LSG) 24 weitergegeben wird. Vom Energiemengenzähler 16 ausgehend sind die Leitungen dreiphasig weitergeführt auf eine integrierte digitale überwachungs- und Sicherungseinrichtung 50.
Ausgangsseitig der integrierten digitalen Überwachungs- und Sicherungseinrichtung 50 befindet sich die Steckdose 14 der Ladestation, über welche dem Elektrofahrzeug 2 unter
Zuhilfenahme des Ladekabels 10 die gewünschte Energie
bereitgestellt wird.
Die Kommunikation zwischen der Steckdose 14 und dem
Ladestations-Gateway-Rechner LSG 24 erfolgt z.B. über PWM- Technik, während die Kommunikation zwischen dem Ladestations- Gateway-Rechner 24 und dem Powerline-Kommunikations-Modul PLC 26 über beispielsweise das Ethernet-Protokoll stattfindet.
Der grundsätzliche Aufbau der integrierten digitalen
Überwachungs- und Sicherungseinrichtung 50 ist im Zusammenhang mit Figur 4 dargestellt: Die Einrichtung 50 beinhaltet eine Auswerteeinrichtung 52, an deren Eingang die Ausgangsignale von Sensoren 31, 32 für elektrische Signale, insbesondere für den Phasenstrom und die Phasenspannung anliegen. Bei diesen Sensoren 31, 32 kann es sich beispielsweise um diejenigen Komponenten handeln, welche auch die Eingangssignale für den im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Energiemengenzähler bilden.
Die elektrischen Eingangsgrößen werden hinsichtlich ihrer Amplitude und des zeitlichen Verlaufs innerhalb der
Auswerteschaltung 52 weiterverarbeitet und mit innerhalb der Auswerteschaltung 52 abgespeicherten oder anderweitig
vorgegebenen Parametern verglichen. Im Ergebnis werden durch die Vorgabe der Parameter Auslösekriterien definiert, bei deren Erreichen am Ausgang der Auswerteschaltung 52 ein
Steuersignal abgegeben wird, als dessen Folge der
Laststromkreis geschaltet, d.h. entweder eingeschaltet wird, wenn er zuvor abgeschaltet war, oder ausgeschaltet wird, wenn er zuvor eingeschaltet war.
Im Folgenden sind die mit einem solchen Aufbau realisierbaren Funktionalitäten beschrieben:
Mittels der Sensoren 31, 32 lässt sich der zeitliche Verlauf der Ströme bzw. Spannungen im Ladestromkreis erfassen und analysieren. Durch die ständige Erfassung stehen diese Signale und deren Auswerteergebnisse auch für eine regelmäßige
Dokumentation zur Verfügung. Zudem können die Ausgangssignale der Sensoren 31, 32 auch über geeignete Schnittstellen anderen Komponenten des Ladekreises zur Verfügung gestellt werden. Die im Zusammenhang mit Figur 2 dargestellte Verwendung für den Energiemengenzähler 16 ist nur eine der Möglichkeiten.
Beim Überschreiten eines maximal zulässigen Amplitudenwertes im Stromverlauf wird das Schaltmittel 54 angesteuert, um einen Abschaltprozess zu bewirken, wodurch ein Überstromschutz , z.B. im Kurzschlussfall erreicht wird. Das sichere Schalten des Schaltmittels 54 kann zudem durch die Stromerfassung bzw.
Spannungserfassung erkannt und überwacht werden.
Einer der von der Auswerteschaltung 52 vorgegebenen Parameter kann eine bestimmte Sicherungskennlinie sein, um eine
bestimmte Strom-Zeitcharakteristik zu simulieren. Das
verlangte Strom-Zeitverhalten lässt sich durch digitale
Nachbildung der Kennlinie in weiten Grenzen variieren.
Hierdurch kann der Überstromschutz auf bestimmte vorgebbare Auslösekennwerte eingestellt werden. Insbesondere kann
vorgesehen sein, dass vorab gespeicherte Sicherungskennlinien vorgesehen sind, von denen jeweils die dem Anwendungsfall entsprechende auswählbar ist. Beispielsweise kann eine einem bestimmten Stecker des Ladekabels angepasste Kennlinie
verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, mittels eines Steckergesichtes oder mittels eines im Stecker
angeordneten Widerstandes, beispielsweise eines Widerstands zwischen einem Plug-Present- oder Pilotleiter und einem
Nulleiter, einen Stecker oder ein Ladekabel für eine maximale Ladestromstärke zu kennzeichnen. Mit diesen Informationen kann auch die jeweilige Sicherungskennlinie angepasst werden.
Gegenüber herkömmlichen Funktionalitäten von passiven
Leitungsschutzschaltern, deren Ansprechkennlinie nicht parametriert werden kann, ergibt sich hierdurch eine weitaus größere Flexibilität. Im Rahmen dieser Funktionalität wird auch durch entsprechende Parametrierung der Ansprechkennlinie eine Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf die Absicherungsbedingungen ermöglicht. Hierdurch soll vermieden werden, dass eine Auslösung der Einrichtung allein durch erhöhte Umgebungstemperatureinfluss erfolgt, ohne dass tatsächlich ein Fehler vorliegt. Die Auslösekennlinie der Sicherung kann auch während des Betriebs verändert werden, beispielsweise aufgrund von Erkenntnissen aus der Auswertung des angeschlossenen Kabels oder aufgrund von Erkenntnissen über Netz- und/oder Installationsengpässe .
Auch kann die digitale Auswerteeinrichtung 52 durch
entsprechende Auswertung von Stromsignalen und entsprechende Differenzbildung Fehlerströme im Ladekreis erkennen und durch Ansteuerung des Schaltmittels 54 eine Abschaltung bewirken. Es können dabei sowohl Wechselstrom-Fehlerströme als auch
Gleichstrom-Fehlerströme diagnostiziert werden, wodurch sich ein einem FI Schalter sowohl des Typs A als auch des Typs B entsprechendes Verhalten simulieren lässt. Von besonderer Bedeutung dabei ist, dass im Falle eines detektierten
Fehlerstromes (AC oder DC) ein dauerhaftes Abschalten des Schaltmittels 54 bewirkt werden kann und erst bei einem
Neustart des Ladestations-Gateway Rechners wieder aktiv eingeschaltet wird. Dabei kann die Hochlaufroutine
(„Rebooting" ) auf diese Funktionalität angepasst sein.
Hierdurch lassen sich auch die, z.B. im Bereich der
Bundesrepublik Deutschland vorgeschriebenen Sicherheitsrichtlinien realisieren, die bei einem
Fehlerstromschutzschalter immer ein netzspannungsunabhängiges Schalten erfordern.
Als weitere Sicherheitsfunktion von Bedeutung kann vorgesehen sein, dass im Falle eines Netzausfalls das Schaltmittel zwangsweise geöffnet wird. Auch hierdurch lässt sich die FI- Schalter-Funktionalität gewährleisten.
Auch kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine automatische Prüffunktion bei der FI-Schalter-Funktionalität vorgesehen sein. Dabei kann die Überwachungs- und
Sicherungseinrichtung 50 angewiesen werden, einen Fehlerstrom zu simulieren. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass zwischen einer Phase oder einem sonstigen Leiter und dem Schutzleiter ein Widerstand gesteuert eingeschaltet wird, woraufhin das Relais des FI-Schalters angesteuert (und ggf. nicht ausgelöst) und dieses Ansteuersignal von externer Seite erkannt und somit die Funktionalität als in Ordnung befunden wird. Diese Simulation kann für alle drei Phasen getrennt und/oder in vorbestimmten Zeitabständen durchgeführt werden. Der besondere Vorteil gegenüber der bisherigen Praxis besteht nun darin, dass diese - gesetzlich zwingend vorgeschriebene - Prüffunktion automatisiert von extern erfolgt, ohne dass eine beauftragte Person an dem Ort der Ladestation anwesend sein muss. Zum Beispiel kann ein solcher PrüfVorgang jeweils nach Abschluss eines Ladevorgangs erfolgen.
Durch die zuvor beschriebene Lösung wird der Bauteile- und Verdrahtungsaufwand in der Ladestation ganz erheblich
reduziert, da Doppelfunktionalitäten, wie sie bei der Verwendung separater sicherheitstechnischer Komponenten unumgänglich sind, vermieden werden.
Diese Gestaltung bietet vor allem für solche Anwendungen, wie sie bei Ladestationen für Elektrofahrzeuge gegeben sind, erheblich Vorteile, bei denen eine Energieversorgung genau einem Verbraucher gegenüber steht. Durch die hohe Flexibilität verbunden mit dem reduzierten Bauteileaufwand wird eine optimierte Anpassung der Sicherheitsanforderungen an die speziellen Anforderungen des Verbrauchers erreicht.